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Universidad Veracruzana Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica

Zona Xalapa

Sistemas de Tierra en

Líneas de Transmisión

Monografía

Que para obtener el Título de:

Ingeniero Mecánico Electricista

Presenta:

Salazar Jorge Rafael

Xalapa Enríquez, Ver.

Septiembre 2010

Sistemas de Tierra en Líneas de Transmisión

2


3

Para Alicia… A quién debo todo lo que soy y deberé, lo que seré…


4

A mi Madre, por su apoyo en más de veintitrés años, más… nueve meses…


5

A todos aquellos que hicieron posible la elaboración de este trabajo:

Al Ingeniero Eduardo Reynoso Guillaumín, por su gran

apoyo durante el desarrollo del mismo.

Al Doctor Alfredo Ramírez Ramírez por todo su apoyo

durante y después de mi Servicio Social realizado bajo su

responsabilidad.

Al Maestro Walter Luis Sáiz González por sus comentarios

positivos hacia mi trabajo.

Sistemas de Tierra en Líneas de Transmisión Contenido

6

Índice

Introducción ....................................................................................................................................... 9

Capítulo I

Conceptos Básicos ............................................................................................................................ 10

Línea de Transmisión ................................................................................................................... 11

Características de una Línea de Transmisión ............................................................................ 14

Tipos de líneas de transmisión ................................................................................................. 15

Longitud Eléctrica de una Línea de Transmisión ...................................................................... 16

Pérdidas en la línea de transmisión .......................................................................................... 17

Estructuras Normalizadas para Líneas de Transmisión ................................................................ 18

Seguridad de las Obras Civiles .................................................................................................. 20

Clasificación de las diferentes Fallas Eléctricas en Líneas de Transmisión .................................. 24

Incidencia de Descargas Atmosféricas ......................................................................................... 28

Densidad de Rayos a Tierra ...................................................................................................... 31

Número de descargas que inciden en una Línea de Transmisión ............................................. 32

Capítulo II

Determinación del Ángulo de Blindaje ............................................................................................. 33

Ángulo de blindaje ....................................................................................................................... 34

Características de la línea en estudio ....................................................................................... 35

Métodos de ubicación del cable de guardia ............................................................................. 36

Métodos clásicos .......................................................................................................................... 37


7

Falla de Blindaje ........................................................................................................................... 43

Índices de Salidas de Líneas de Transmisión por fallas de Blindaje .............................................. 46

Capítulo III

Sistemas de Tierra ............................................................................................................................ 48

Sistemas de Conexión a Tierra ..................................................................................................... 49

Tipos de Puesta a Tierra ............................................................................................................... 51

Puesta a Tierra para Protección ............................................................................................... 51

Puesta a Tierra para Funcionamiento ...................................................................................... 51

Definiciones ................................................................................................................................. 52

Métodos para conocer el valor de la Resistencia Eléctrica de un Sistema de Tierra .................... 53

Método Wenner o de los Cuatro Electrodos ............................................................................ 55

Medición de la Resistividad del Suelo y Resistencia Eléctrica en Líneas Aéreas en Construcción 60

Método de Caída de Potencial ................................................................................................. 62

Medición de la Resistividad del Suelo y Resistencia Eléctrica en Líneas Aéreas en Operación .... 65

Reducción de Valores de Resistencia de Conexión a Tierra en Torres de Transmisión ................ 68

Métodos de mejoramiento ...................................................................................................... 69

Recomendaciones para diferentes resistividades del terreno ..................................................... 72

Anexo I

Índice de Interrupciones por Flameo Inverso................................................................................... 76

Flameo Inverso ............................................................................................................................. 77

Número de salidas por flameo inverso ........................................................................................ 80

Anexo II

Principio de Medición de Resistencia Eléctrica de Redes de Tierra.................................................. 82

Anexo III

Requerimientos de Calibración de Medidores de Resistencia de Tierra .......................................... 85


8

Anexo IV

Errores Frecuentes en la Medición de Resistividad y Resistencia ................................................... 88

Anexo V

Fabricación de Electrodos en Campo para Sistemas de Tierra ......................................................... 92

Conclusión ........................................................................................................................................ 96

Bibliografía ....................................................................................................................................... 97


9

Introducción

Las líneas de transmisión son un medio de transporte eléctrico que brinda la oportunidad

de transportar potencia eléctrica a grandes distancias desde su punto de generación. En Ingeniería

es importante contar con los conocimientos para diseñar este tipo de rutas eléctricas que

permitan satisfacer diferentes necesidades pero también es importante contar con las bases para

poder proteger un sistema de este tipo.

La presente Monografía titulada: “Sistemas de Tierra en Líneas de Transmisión”, tiene

como objetivo primordial el de establecer en el lector, bases de fácil entendimiento para

comprender el origen de una falla, su comportamiento en la línea, la función del cable de guarda y

el drenado de una corriente indeseada a tierra.

En este trabajo, se encontrarán las bases para realizar los estudios previos a la instalación

de una Red de Tierra en una Línea de Transmisión, se detallarán los métodos empleados para la

obtención de datos requeridos para esta y se describirán los componentes, procedimientos y

procesos para establecer una. Así mismo, se darán a conocer técnicas empleadas para mejorar

dicha protección de una forma sencilla y amena.

Esta Monografía ha sido realizada con el fin de complementar los estudios de Licenciatura

y establecer las bases para poder comprender el diseño de una Red de Tierra, las necesidades y

ventajas de contar con una, así como los procedimientos para optimizarla. Este trabajo, es un

complemento recomendado para estudiantes que luego de haber cursado Experiencias Educativas

como Líneas de Transmisión, Corto Circuito y Flujos de Cargas y Protecciones a Sistemas de

Potencias, deciden adentrarse en el estudio de una Red de Tierra.

Atte. Salazar Jorge Rafael


10

Capítulo I

Conceptos Básicos

Sistemas de Tierra en Líneas de Transmisión Capítulo I

11

Línea de Transmisión

Las líneas de transmisión eléctricas sirven para transportar y distribuir energía eléctrica, se

dividen principalmente en dos grandes categorías, líneas de transmisión aéreas y líneas de

transmisión subterráneas.

En 1891, se realizó la primera transmisión de potencia alterna trifásica, esta, se llevo a

cabo desde una central hidroeléctrica de 200 kw en Alemania, a una distancia de 170 km, dicha

energía se aplicaba a un motor asincrónico trifásico de 75 kw que accionaba a una unidad de

bombeo.

El desarrollo de las aplicaciones industriales de la electricidad que iniciaron a fines del siglo

XIX, se orientaron sobre dos caminos, la corriente continua y la corriente alterna, esta última en

distintas frecuencias exigidas en algunos casos por distintas necesidades. Pasado el tiempo se

fueron unificando en las hoy difundidas 50 y 60 Hz.

Si se analiza cual es la mejor frecuencia para la transmisión de potencia eléctrica a gran

distancia, se observa que 50 Hz es mejor que 60 Hz, y si se intenta optimizar, se llega a la

conclusión que a menor frecuencia, mejor transmisión.

Dado que la transmisión de potencia eléctrica a distancia fue difundida hasta el año de

1930, la optimización en el aspecto de la frecuencia no fue tomada como un factor de diseño y

cuando, en años posteriores, se comenzó a considerar dicho aspecto, la frecuencia a 60 o 50 Hz


12

era ya de uso estandarizado y difícilmente se cambiaría. Esto debido a que, tanto empresas como

usuarios, contaban con sistemas que trabajaban en las frecuencias establecidas desde un

principio.

Poco a poco las necesidades implicaban transmisiones de potencia eléctrica a través de

canales o estrechos en el mar con distancias que superaban los 100 km, donde la transmisión de

corriente alterna se hizo imposible. Dando como resultado, la aparición de las primeras

transmisiones de corriente directa con dispositivos de gran tamaño con los que se contaba en la

década de los sesenta.

Para su estudio y de acuerdo a su longitud, las líneas de transmisión se pueden dividir en:

Cortas: Con una longitud menor a los 80 km.

Medianas: Con longitudes entre los 80 y 220 km.

Largas: Con longitudes mayores a los 220 km.

Las líneas aéreas están constituidas por conductores en el aire apoyados en estructuras

metálicas (torres) y sujetas por medio de aisladores. El aislamiento entre conductores lo

proporciona el aire y el aislamiento entre los conductores y tierra se obtiene por medio de las

cadenas de los aisladores.

Desde el punto de vista del proyecto de las líneas de transmisión, los principales

componentes a considerar son:

Estructuras

Conductores

Aislamientos y herrajes

Las estructuras mecánicas que soportan las líneas serán

tratadas en páginas posteriores, mientras que para conductores, la

CFE emplea normalmente conductores ACSR que están compuestos

de un alma de acero que tiene principalmente funciones mecánicas

y externamente una o más capas de hilos de aluminio devanadas en

forma de espiral. En las líneas de 400 KV se usan dos conductores

por fase con el objetivo de reducir la inductancia y el efecto corona.

Cable ACSR


13

Los tipos y calibres de conductores normalmente usados en las líneas de transmisión por la

CFE son los siguientes:

Para 400 KV: ACSR 1113 KCM

Para 230 KV: ACSR 900 KCM, ACSR 795 KCM, ACSR 1113 KCM

Para 115 KV: ACSR 477 KCM, ACSR 795 KCM

Desde el punto de vista eléctrico, los factores que se deben considerar para la selección de

un determinado tipo de conductor son:

Capacidad de conducción de corriente

Máxima caída de tensión permisible

Límite económico de pérdidas

Límite de pérdidas por efecto corona

Nivel máximo permisible de ruido

Como estudio de planeación asociado a las condiciones de operación que presentará la

línea, se puede hacer un estudio de capabilidad o cargabilidad en dicha línea de transmisión.

La capabilidad se expresa por medio de curvas que relacionan la longitud de la línea con la

carga de la misma, el término capabilidad no se refiere específicamente a las propiedades físicas

del conductor, como por ejemplo el límite térmico, más bien se analizan ciertos criterios que

definen esta capabilidad y que básicamente los siguientes:

El límite térmico permisible

La máxima caída de voltaje permisible en la línea

El margen de estabilidad en estado permanente

Por otra parte, los aisladores representan el punto mecánico de soporte de los

conductores en la estructura y cumplen también con la función de proporcionar el aislamiento

ente conductor y tierra dando la distancia eléctrica requerida en el aire y siendo estos de vidrio y

porcelana.

Los herrajes aportan la seguridad en la operación de una línea, dependiendo en forma

particular de la confiabilidad que deben tener los elementos de unión de los conductores, para la

fijación de los conductores a los aisladores y para la fijación de estos últimos a la torre.


14

Características de una Línea de Transmisión

Las características de una línea de transmisión se determinan por sus propiedades

eléctricas, como la conductancia y la constante dieléctrica del aislante, y sus propiedades físicas,

como el diámetro del cable y los espaciamientos entre conductores.

Estas propiedades, a su vez, determinan las constantes eléctricas primarias:

Resistencia.

Inductancia.

Capacitancia en derivación.

Conductancia en derivación.

La resistencia y la inductancia se presentan a lo largo de la línea, mientras que entre

conductores y tierra ocurren la capacitancia y la conductancia.

Las constantes primarias se distribuyen de manera uniforme a lo largo de la línea, por lo

tanto, se les llama comúnmente parámetros distribuidos.

Los parámetros distribuidos se agrupan por una longitud unitaria dada, para formar un

modelo eléctrico artificial de la línea.

Las características de una línea de transmisión se llaman constantes secundarias y se

determinan con las cuatro constantes primarias.

Impedancia Característica

Cuando se desprecian las pérdidas, es decir, la resistencia en serie, en una línea de

transmisión, se obtienen expresiones más sencillas para los parámetros de la línea y por

consiguiente los análisis se hacen más sencillos.

La impedancia característica de una línea de transmisión real

, es una cantidad

compleja expresada en ohms, sin embargo en una línea considerada sin pérdidas, la impedancia

característica es una cantidad real pura, es decir, resistiva.

Por lo anterior si una línea se considera sin pérdidas y con una carga igual a su impedancia

característica, el flujo de potencia real será igual a

, tomando en cuenta que el perfil de

voltaje es plano. Dicha potencia se considera como “La cargabilidad de la línea a la impedancia

característica” (SIL) (Surge Impedance Loading).


15

Dependiendo de la longitud de la línea, su capacidad de carga de la misma será desde una

fracción de su SIL hasta múltiplos (2 o 3 veces).

Tipos de líneas de transmisión

Para su estudio, las líneas de transmisión se clasifican generalmente como balanceadas.

Con líneas balanceadas de dos cables, ambos conductores llevan una corriente; un conductor lleva

la señal y el otro es el regreso. Este tipo de transmisión se llama transmisión de señal diferencial o

balanceada.

La señal que se propaga a lo largo del cable se mide como la diferencia de potencial entre

los dos cables. Las corrientes que fluyen en direcciones opuestas por un par de cable balanceados

se les llaman corriente de circuito metálico.

Las corrientes que fluyen en las mismas direcciones se llaman corrientes longitudinales. Un

par de cables balanceados tiene la ventaja que la mayoría de la interferencia por ruido (voltaje de

modo común) se induce igualmente en ambos cables, produciendo corrientes longitudinales que

se cancelan en la carga.

Cualquier par de cable puede operar en el modo balanceado siempre y cuando ninguno de

los dos cables esté con el potencial a tierra, como por ejemplo, el cable coaxial que tiene dos

conductores centrales y una cubierta metálica.

La cubierta metálica generalmente se conecta a tierra para evitar interferencia estática al

penetrar a los conductores centrales. Con una línea de transmisión desbalanceada, un cable se

encuentra en el potencial de tierra, mientras que el otro cable se encuentra en el potencial de la

señal.

Este tipo de transmisión se le llama transmisión de señal desbalanceada o de terminación

sencilla. Con la transmisión de una señal desbalanceada, el cable de la tierra también puede ser la

referencia a otros cables que llevan señales.


16

Líneas de Transmisión de Cable Abierto

Una línea de transmisión de cable abierto es un conductor paralelo de dos cables. Consiste

simplemente de dos cables paralelos, espaciados muy cerca y sólo separado por aire.

Los espaciadores no conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y

mantenerse a la distancia entre las constantes entre los conductores. Las distancias entre los dos

conductores generalmente están entre 2 y 6 pulgadas.

El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededor de los conductores en donde se

propaga la onda transversal electromagnética. La única ventaja real de este tipo de línea de

transmisión de cable abierto es su construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las pérdidas por

radiación son altas y susceptibles a recoger ruido. Por lo tanto, las líneas de transmisión de cable

abierto normalmente operan en el modo balanceado.

Par de Cables Protegido con Armadura

Para reducir las pérdidas por radiación e interferencia, frecuentemente se encierran las

líneas de transmisión de dos cables para lelos en una malla metálica conductiva. La malla se

conecta a tierra y actúa como una protección.

La malla también evita que las señales se difundan más allá de sus límites y evita que la

interferencia electromagnética llegue a los conductores de señales.

Longitud Eléctrica de una Línea de Transmisión

La longitud de una línea de transmisión relativa a la longitud de onda que se propaga hacia

abajo es una consideración importante, cuando se analiza el comportamiento de una línea de

transmisión. A frecuencias bajas, el voltaje a lo largo de la línea permanece relativamente

constante. Sin embargo, para frecuencias altas, varias longitudes de onda de la señal pueden estar

presentes en la línea al mismo tiempo.

Por lo tanto, el voltaje a lo largo de la línea puede variar de manera apreciable. En

consecuencia, la longitud de una línea de transmisión frecuentemente se da en longitudes de

onda, en lugar de dimensiones lineales. Los fenómenos de las líneas de transmisión se aplican a las

líneas largas.


17

Pérdidas en la línea de transmisión

Las líneas de transmisión frecuentemente se consideran totalmente sin perdidas. Sin

embargo, en realidad, hay varias formas en que la potencia se pierde en la línea de transmisión,

son:

Pérdida en el conductor

Pérdida por radiación por el calentamiento dieléctrico

Pérdida por acoplamiento

Descarga luminosa (efecto corona)

Debido a que la corriente fluye a través de una línea de transmisión y la línea de

transmisión tiene una resistencia finita, hay una pérdida de potencia inherente e inevitable. Esto a

veces se llama pérdida del conductor o pérdida por calentamiento del conductor y es,

simplemente, una perdida por Efecto Joule.

Debido a que la resistencia se distribuye a lo largo de la línea de transmisión, la pérdida

por calentamiento del conductor es directamente proporcional a la longitud de la línea. Además,

porque la disipación de potencia es directamente proporcional a la corriente, la pérdida del

conductor es inversamente proporcional a la impedancia característica.

Para reducir las pérdidas del

conductor, simplemente debe acortarse la

línea de transmisión, o utilizar un cable de

diámetro más grande, debe considerarse que

al cambiar el diámetro del cable, también

cambia la impedancia característica y en

consecuencia, la corriente.

Efecto Corona presente en una Línea de Transmisión en Media Tensión


18

Estructuras Normalizadas para

Líneas de Transmisión

La industria en general necesita del diseño de estructuras que por su complejidad y

exigencias de operación requieren de un análisis especial que también garantice su buen

funcionamiento y bajo costo. Estas acciones implican una fuerte actividad de análisis y diseño

estructural. La solución a problemas del análisis y diseño de estructuras se basa

fundamentalmente en el desarrollo, elaboración y uso de modelos numéricos y matemáticos que

permitan predecir la respuesta de las estructuras y técnicas para optimar los diseños. Así se han

desarrollado e implementado metodologías especializadas para optimar el diseño de las

estructuras y el análisis de casos específicos. Dichas metodologías y han sido elaboradas por el

Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE).


19

La Comisión Federal de Electricidad busca

garantizar el funcionamiento y disponibilidad de

sus estructuras, así como reducir los costos

asociados de diseño, fabricación, instalación y

mantenimiento, por esta razón, debe apegarse a

dichos estándares.

Hasta el momento, el IIE ha diseñado 21 torres y se han detallado 14, lo cual implica la

elaboración de los planos de taller y montaje, y las listas de materiales para pruebas de prototipos.

En conjunto con la CFE se supervisó la fabricación y el armado de prototipos de cuatro de

las torres normalizadas, correspondientes a líneas de transmisión de 115 KV para verificar el

ensamble y aplicar pruebas de resistencia mecánica. También se ha desarrollado la ingeniería

básica para el diseño de torres de transmisión en líneas de 765 KV.

La normalización que se llevó a cabo permitirá contar con un número reducido de torres

de diseño óptimo que podrán utilizarse en forma segura y económica en el diseño de líneas de

transmisión de 115, 230 y 400 KV en cualquier zona del país bajo condiciones climáticas y

topográficas diversas. Además del diseño de las torres, también se tiene un proyecto para el

diseño de las cimentaciones de las torres de transmisión.

Por otra parte, la posible expansión de líneas en zonas montañosas obliga a tomar

medidas para prever la inestabilidad aerodinámica de líneas de transmisión. Una de las

inestabilidades que se presentan en los cables de líneas de transmisión es el galopeo, el cual

consiste en la aparición de vibraciones importantes de los cables, sobre todo cuando el flujo del

viento incide ortogonalmente a la línea.

En relación con el tema de las torres de transmisión, es necesario revisar las normas, por

ejemplo sobre condiciones de carga, además de actualizar el mapa de vientos realizado por el

Instituto de Investigaciones Eléctricas y revisar constantemente las condiciones de carga de las

torres de transmisión para ver si se requiere algún ajuste en los diseños y así mejorar

paulatinamente los diseños de las nuevas líneas que se van requiriendo.


20

Seguridad de las Obras Civiles

El sector energético y la industria en general requieren establecer procedimientos que

ayuden a mantener su infraestructura en óptimas condiciones de operación, aun ante acciones

extremas como las causadas por vientos y sismos intensos. Por ejemplo, el sismo de 1995 en

Manzanillo, Colima, y el huracán Paulina que azotó las costas del Pacífico en 1997 provocaron

daños en estructuras y la interrupción del suministro de energía en algunas regiones. Sin embargo,

los efectos que producen dichos eventos naturales pueden mitigarse mediante el uso adecuado de

información ambiental y de datos de sitio, lo que a su vez, conduce a establecer mejoras en los

criterios de diseño.

En este campo se han creado herramientas de cómputo de tipo sistema experto o

integrado basados en el conocimiento y experiencia de la Ingeniería Civil, con el fin de tener un

mejor control de las obras civiles o durante el desarrollo de proyectos.

Se cuenta con el Sistema de

Información de Reportes de Inspección

(SIRI), el cual se usa para las actividades de

los programas de inspección estructural de

las obras civiles existentes en las centrales

generadoras de energía eléctrica.

El Instituto desarrolló un sistema de

información para el manejo de datos de la

instrumentación de las obras civiles de las

centrales generadoras llamado Sistema de

Información de Medición de Estructuras

(SIME). El objetivo de este sistema es

facilitar a los ingenieros expertos la tarea de

realizar los análisis del comportamiento estructural y evaluación de la seguridad de las obras

civiles de las centrales generadoras de energía eléctrica. El SIME captura, almacena, ordena y

maneja la información que obtiene con los instrumentos instalados en las obras.

También se está conformando el Sistema Integrado de Seguridad de Estructuras (SISE),

que tiene como objeto obtener índices y parámetros para conocer el comportamiento de las

estructuras y evaluar su seguridad, así como para mejorar los planes de inspección y

mantenimiento de las mismas.

Estructuras para distribución en Alta Tensión


21

Torres de Acero

Las torres o estructuras metálicas como se sabe constituyen el soporte mecánico de las

líneas de transmisión y económicamente hablando representan la mayor inversión, en México se

construyen principalmente de acero o cemento armado para distribución y subestación. En

algunos países se pueden encontrar líneas de transmisión de otros materiales como madera.

Por su tipo, pueden ser:

- Torres autosoportadas por celosía.

- Torres autosoportadas tubulares.

- Torres con retenidas.

Torres Autosoportadas por Celosías

Las torres autosoportadas constituyen prácticamente la totalidad de las estructuras usadas

en líneas de transmisión en alta tensión. Su nombre se debe a que mecánicamente no requieren

apoyos adicionales para trabajar como elementos sujetos a los esfuerzos de tensión y compresión

debidos a cargas de conductores, aisladores y elementos externos de presión de viento, carga de

hielo en algunas regiones, etc., además del tensionado normal para montaje; distancia interpostal

(es decir distancia media entre dos torres también

conocidas como horizontal).

Clasificación:

- Tipo Suspensión.

- Tipo Tensión.

- Tipo Remate.

- De Transposición.

La gran mayoría de las líneas de transmisión

usadas en la CFE son del tipo autosoportadas con

celosía de las llamadas de suspensión. Las torres de

tensión se aplican en menor número para cambios de

dirección, cruzamientos y zonas en donde se requiere

obtener una mayor altura de los conductores.

Las torres de remate se usan en las llegadas o

salidas de subestaciones eléctricas y pueden ser de Torre Autosoportada 440 KV


22

suspensión o de tensión dependiendo del ángulo de llegada o salida a la subestación

preferentemente se usan de tipo suspensión.

Las torres de transposición tienen un diseño similar a las de suspensión y se usan para

alternar la posición de los conductores de fase de las líneas de transmisión, se aplican pocas en

una línea de transmisión y dependen en cierto modo de la longitud de las mismas.

Torres Autosoportadas Tubulares

Estas también son soportadas en el mismo concepto de

las tipo celosía, la diferencia está en que no se construyen como

las de celosía con ángulos o perfiles, sino que se usa un tubo de

acero, lo que hace que sean más compactas pero también su

costo es superior a igualdad de condiciones de operación, son

diseñadas para trabajar en suspensión o tensión al igual que las

de celosía.

Debido a su alto costo, su uso está restringido a zonas

donde se tienen problemas de disponibilidad de terreno para

construir la línea y de estética, es decir, se aplican

preferentemente en zonas urbanas con diseños compactos en

donde se usan aislamientos sintéticos, es decir, un aislamiento

no convencional a base de discos de vidrio o porcelana.

Torre Autosoportada 230 KV


23

Torres con Retenidas

Se usan en CFE con un trabe horizontal sostenida con

uno o dos puntos que trabajan exclusivamente a

compresión, la estabilidad mecánica se asegura por medio

de tirantes (retenidas) con la disposición apropiada.

Torre Retenida 230 KV


24

Clasificación de las diferentes Fallas

Eléctricas en Líneas de Transmisión

Los Sistemas eléctricos de Transmisión están sometidos a diversos fenómenos que

producen distintos tipos de fallas o perturbaciones eléctricas. Entre los fenómenos físicos

causantes de una falla eléctrica, podemos mencionar: viento, incendios, caída de torres, fallas en

maniobras, descargas atmosféricas, etc. Estos fenómenos pueden originar diversos tipos de fallas

como por ejemplo: falla monofásica, falla bifásica, falla trifásica, sobretensión, etc.

Las fallas que se producen en un Sistema de Transmisión de Energía Eléctrica se aíslan

mediante la actuación de sistemas automáticos llamados Protecciones, los cuales producen la

salida de servicio de uno o más segmentos de, en este caso, la línea, afectados por la falla. La

consecuencia directa de esta acción cuyo objetivo es proteger al equipamiento de las

solicitaciones generadas por la falla, produce como efecto colateral, la reducción de la capacidad

de transmisión, lo cual significa una afectación directa tanto a usuarios como generadores.

Ante una falla, la empresa encargada del suministro de energía eléctrica debe hacerse

cargo de la reposición de las partes afectadas, los gastos de mantenimiento y también la mano de

obra necesaria.


25

Existen multas que se calculan en función del segmento afectado (un transformador, una

línea, una barra, etc.) y del tiempo de permanencia fuera de servicio. Este último componente de

la penalización es tan importante que si por ejemplo, la recuperación del suministro se produce

antes de los 10 minutos de producida la falla, la empresa de transporte resulta exenta del pago de

la multa, es por ese motivo que dichas empresas invierten grandes recursos en adquirir tecnología,

adiestramiento y estudios, a fin de lograr resultados concretos en este tema.

El análisis de fallas es una tarea esencial del especialista en protecciones. Luego de

ocurrida la falla el especialista accede a la información capturada por el Registrador Cronológico

de Eventos (RCE), que es almacenada en una base de datos. Con esta información el especialista

realiza el diagnostico de donde se produjo la falla y cual es su causa. En el transcurso de una falla,

se generan eventos de diversa índole, no todos ellos relacionados con el fenómeno a estudiar, por

esto el especialista debe identificar el comienzo de la falla y filtrar la información que es relevante

para el análisis.

Como tarea complementaria al diagnóstico, los especialistas monitorean ante cada falla, la

actuación de las protecciones con el objeto de detectar cualquier indicio de defecto que pueda

ocasionar en el futuro, problemas graves como por ejemplo: la salida incorrecta de algún

segmento del sistema, la actuación retardada de la protección, la actuación incorrecta de algún

módulo de la protección etc.

Una falla eléctrica puede ocurrir en cualquier parte de un sistema eléctrico de potencia,

esto quiere decir que podemos encontrar una falla en la línea de transmisión del sistema, en

terminales de algún transformador, en terminales de cargas dinámicas como lo son los motores

eléctricos, etc.

Generalmente las fallas se clasifican en Falla Simétricas y Fallas Asimétricas, la Falla

Simétrica es también conocida como Falla Trifásica y tiene lugar cuando las tres líneas de

transmisión o un punto de cada una de ellas, tiene contacto entre sí simultáneamente, mientras

que las Fallas Asimétricas se clasifican a su vez en:

Fallas de Línea a Tierra (LT):

Tiene lugar cuando una de las tres líneas de transmisión hacen contacto con un punto de

diferencial cero, tierra.

Fallas de Línea a Línea (LL):

Se lleva acabo cuando dos líneas de transmisión hacen contacto entre ellas.


26

Fallas de Línea Línea a Tierra (LLT):

Tiene lugar cuando tres diferentes puntos entran en contacto, dos de ellos provenientes

de diferentes líneas y el resultante de la tierra.

Para el análisis y obtención de una corriente de corto circuito en Fallas Asimétricas es

necesario utilizar procedimientos matemáticos basados en redes secuenciales que tienen la

intención de formular un comportamiento simétrico a partir de uno asimétrico, que es el

proveniente del problema.

Para poder analizar un sistema en falla, serán necesarias tres redes diferentes que

representarán al sistema en:

Red de secuencia Positiva. (+)

Red de secuencia Negativa. (-)

Red de secuencia Cero. (0)

Una vez obtenidas dichas fallas, que deberán ser calculadas por separado, a menos que,

los valores en análisis se repitan para dichos procedimientos, se procederá a la obtención de un

valor de impedancia equivalente de Thevenin respecto al lugar de la falla.

Al contar con los tres valores de impedancia equivalente respecto a la falla, se procederá a

crear arreglos para la obtención de la corriente secuencial de corto circuito de la siguiente

manera:

Fallas de Línea a Tierra. (LT):

- Todas las redes secuenciales se conectarán en serie.

Fallas de Línea a Línea. (LL):

- Se conectará en serie la red de secuencia positiva con la red de secuencia

negativa.

Fallas de Línea Línea a Tierra. (LLT):

- Todas las redes secuenciales se conectarán en paralelo.


27

Notas:

Es importante destacar que:

- La red de secuencia positiva incluirá una fuente de voltaje de Thévenin

respecto al lugar donde se localice la falla.

- Dicha fuente de voltaje será, generalmente, igual a 1∟0° a menos que se

especifique que se trabaja a un voltaje diferente al nominal.

- Una vez obtenida la corriente de falla se deberá llevar a cabo otro procedimiento

para obtener los valores asimétricos, puesto que los calculados son valores

secuenciales.


28

Incidencia de

Descargas Atmosféricas

A aquellas descargas naturales producidas normalmente durante las tormentas eléctricas,

se les conoce como descargas atmosféricas. Las descargas atmosféricas se clasifican por la

polaridad de la carga en la nube, ya sea positiva o negativa y por la dirección de propagación del

líder inicial o guía escalonada, ya sea ascendente

o descendente.

En zonas cercanas a los polos, las

descargas más frecuentes son aquellas que

tienen polaridad positiva, en nuestro país, en

promedio, el 90% de rayos a tierra son de

polaridad negativa con 45 a 55% de estas con un

solo rayo de retorno. En una línea de

Transmisión, el tipo de descarga más común que

suele producir problemas es la descarga a tierra

con polaridad negativa.


29

Durante una descarga se llevan a cabo procesos muy variables tanto en espacio como en

tiempo. Luego de que ocurre un rayo de retorno, existe una gran probabilidad de que ocurra una o

varias descargas subsecuentes por el mismo canal de descarga, en promedio, luego de este

fenómeno se presentan tres descargas subsecuentes.

Procesos de una descarga atmosférica con polaridad negativa

Proceso Tiempo Lugar

Predescarga Duración menor de un

microsegundo Descarga dentro de la nube.

Guía Escalonada

Sucede a intervalos de

tiempo de alrededor 50 µs

con una duración total de

aproximadamente 100 ms.

Desde la nube se prolonga

hasta cerca del nivel de

tierra, cambia de dirección

en forma de escalones, con

secuencias aproximadas de

50m cada uno

Guía Ascendente Se forma antes que la guía

escalonada llegue a tierra.

Comienza en la superficie

de la tierra u objetos altos.

Rayo de Retorno

Neutralización de la carga

en la guía escalonada

aproximadamente de 100 µs

a 200 µs

Desde la unión de las guías

hasta la base de la nube.

Guía Subsecuente Más rápida que la

escalonada.

El mismo canal que el rayo

de retorno, sin

ramificaciones.

Descarga Subsecuente Descargas con intervalos de

tiempo de aprox. 50 ms

En el mismo canal del rayo

de retorno

La Guía Ascendente es el proceso en el cual ambas guías se unen, es considerado en

estudio del radio de atracción para el diseño de blindaje como protección contra rayos directos en

líneas de transmisión de energía eléctrica. Mientras que en el proceso llamado Rayo de Retorno se

presentan los mayores valores de corriente y es el que produce mayor daño debido a la energía de

la descarga. Los valores típicos de las corrientes de los rayos de retorno son de aproximadamente

30 KA y su frente de onda varía entre 1.8 µs y 18 µs con un valor promedio de 5.5 µs.

La figura que se muestra a continuación muestra la última etapa antes de que el rayo de

retorno se produzca, en esta etapa se desarrolla la guía ascendente cuya longitud depende de la

carga que tenga la guía descendente.


30

Proceso de la propagación de la guía descendente y formación de la guía ascendente.


31

Densidad de Rayos a Tierra

La densidad de rayos a tierra es uno de los parámetros de importancia en el diseño de la

protección a líneas de transmisión eléctricas. Con la ayuda de contadores de rayos, los cuales

registran el número de rayos a tierra en un área determinada, podemos determinar la densidad de

rayos a tierra. Gracias a estos datos, podemos obtener una idea basada en estudios estadísticos

que nos permitirán organizar un sistema de protecciones que garantice la seguridad del sistema

durante una falla.

En México se tiene la información obtenida por una red de contadores de rayos en toda la

República, esta información se fue recabada con la operación de los contadores durante once

años. A continuación se muestra un mapa de la República Mexicana con áreas de una misma

densidad de rayos a tierra, indicando el número de rayos a tierra por kilómetro cuadrado y por

año. Estos valores representan un promedio de los valores registrados durante estos once años de

operación y recopilación de datos.


32

Número de descargas que inciden en una Línea de Transmisión

El estudio del blindaje de una línea de transmisión comienza por el cálculo de la distancia

de atracción o radio crítico para los conductores de fase e hilos de guarda de acuerdo a la fórmula

propuesta por Erikson, quien a través de su experimentación con torres de transmisión de

diferentes alturas, propuso una relación entre el radio crítico o de atracción y la altura promedio

de la torre. Esta relación se obtuvo por medio del ajuste de sus curvas experimentales de todos

sus datos experimentales usando mínimos cuadrados.

donde:

Posteriormente, se obtiene el número de rayos directos a la línea de acuerdo al tipo de

terreno donde se encuentra la línea de transmisión. Mediante un modelo dinámico matemático

del desarrollo de la guía escalonada, se han obtenido resultados del número de rayos que inciden

en líneas de transmisión para diferentes condiciones de terreno, como lo son el terreno plano, en

laderas y picos de montañas.


33

7

Capítulo II

Determinación del

Ángulo de Blindaje


34

Ángulo de blindaje

Uno de los métodos de protección de líneas contra descargas atmosféricas es por medio

del blindaje, este método consiste en interceptar las descargas atmosféricas y conducirlas a tierra

por medio de un conductor conectado a tierra, éste conductor recibe el nombre de hilo de guarda.

El hilo de guarda se instala en la parte más elevada de la estructura mecánica que soporta a la

línea de transmisión con un ángulo respecto a su línea vertical y el conductor de fase más externo,

éste ángulo es conocido como ángulo de blindaje.

La siguiente figura muestra la variación del ángulo de blindaje, de positivo a negativo, al

variar la posición del hilo de guarda con respecto a un conductor de fase. El objetivo de la

selección del número de hilos de guarda y su posición es interceptar los rayos y reducir las fallas

de blindaje a un número aceptable.

Ángulo de Blindaje Positivo Ángulo de Blindaje Negativo


35

Características de la línea en estudio

En éste capítulo se estudiará el desempeño de frente a descargas atmosféricas tomando

como ejemplo una línea de 500 KV de disposición coplanar horizontal, soportada por una torre

reticulada de acero autosoportada por celosía, con un vano de 465 m. Los conductores se

consideran del tipo Al-Ac 300/50 mm2 de 24.5 mm de diámetro y están dispuestos en forma de haz

de 4 sub-conductores cuadrado de 50 cm entre centros.

La protección frente a descargas atmosféricas se realiza mediante doble cable de guarda.

La forma y dimensiones principales de la torre de suspensión se pueden apreciar en la figura

siguiente:

Torre de la Línea a 500 KV (m)


36

Métodos de ubicación del cable de guardia

Existen diferentes métodos para ubicar los cables de guardia y cada uno de ellos

proporciona una zona de protección contra descargas directas diferente.

Los métodos clásicos se basan principalmente en criterios geométricos sin mayores

fundamentos teóricos que los resultados obtenidos de su aplicación. Los métodos clásicos que se

utilizan en este trabajo son:

Charles

Wagner y Mac Cann

Schwaiger

A continuación se analiza la protección brindada por los cables de guarda de la línea de

500 KV según los diferentes métodos. En algunos casos se indica también la ubicación que

deberían tener los cables de guardia para brindar una protección óptima según cada criterio.


37

Métodos clásicos

Método Charles

Este criterio establece un ángulo de apantallamiento α= 45º con la vertical, de modo tal

que la descarga atmosférica no caerá sobre ningún objeto que se encuentre dentro del cono

delimitado por dicho ángulo. Este criterio es poco severo y permite ubicar el cable de guardia a

menor altura.

El apantallamiento que brindan los cables de guarda de la línea según este criterio se

puede ver en la siguiente figura, se observa que las fases exteriores tienen un apantallamiento

excesivo mientras que la fase central no resulta protegida.

Zona de Protección Charles

Según este criterio tenemos dos alternativas, cable de guarda doble o simple. La ubicación

de dos cables evita colocar una estructura adicional como se muestra en la siguiente figura.


38

Zona de Protección Charles


39

Zona de Protección Wagner y Mac Cann

Método Wagner y Mac Cann

De forma similar al criterio anterior, en este caso los autores consideran que los cables de

guarda protegen un ángulo α= 30º con la vertical, esto resulta en una combinación más elevada

del cable de guarda.

El apantallamiento que brindad los cables de guardia de la línea según este criterio se

puede ver en la siguiente figura, se observa que solamente las fases laterales resultan protegidas.


40

Podemos reubicar los cables de guarda bajo este criterio de manera tal que resulten

protegidos todos los conductores, como se muestra a continuación:

Zona de Protección Wagner y Mac Cann


41

Método Schwaiger

Este método considera que cuando el trazador de una descarga atmosférica se aproxima a

la tierra, este alcanza una altura H (medida desde el suelo) en la cual elige para caer el punto

conectado a tierra más cercano. Teniendo en cuenta la afirmación anterior se puede determinar

una altura h a la cual instalar un elemento captador, de forma tal de proporcionar una zona de

protección.

Schwaiger, autor del método toma la relación H/h = 1 siendo H el punto donde se

encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guardia. La zona de protección resultante

queda determinada por un cuarto de circunferencia de radio h, como se puede ver a continuación,

de modo tal que resultará protegido lo que se encuentre por debajo de esta.

Zona de Protección Schwaiger


42

Se puede determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guardia, según

este criterio, para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se calcula

la altura mediante la siguiente ecuación:

Donde:

yc= Altura del conductor de fase

h = Altura del cable de guardia

xc = distancia media entre conductores de fase.

El resultado indica que el cable de guardia se debe instalar a 49,2 [m] de altura, esto

resulta impracticable desde un punto de vista técnico económico.


43

Falla de Blindaje

Para la obtención del índice de fallas por blindaje inapropiado, se tienen dos alternativas,

una es considerando la corriente mínima e incidencia del rayo obtenida de la curva de

probabilidad y la otra es considerando la corriente mínima del rayo en el conductor de fase que

produzca flameo en el aislamiento obteniendo el índice de fallas de blindaje que producen flameo

(ver Anexo I).

La falla de blindaje se puede definir como el flameo de un aislador debido a la incidencia

de un rayo en el conductor de fase en vez de incidir en el cable de guarda diseñado con cierto

ángulo de blindaje.

Adicionalmente, las condiciones para las cuales se producen flameos inversos, como son

altos valores de resistencia a tierra y/o bajo nivel de aislamiento, se deben de tomar en cuenta

para obtener las bases de un diseño total de protección por descargas atmosféricas. De esta

manera se puede considerar un solo hilo de guarda para zonas con baja densidad de rayos a tierra

y dos hilos para zonas con alta densidad. Los niveles críticos para los índices de fallas de blindaje

que producen flameos, se dejan a consideración del diseñador. Por ejemplo, para las líneas que

den un servicio a cargas críticas, se pueden seleccionar un valor de diseño de falla de blindaje que

producen flameo menor o igual a 0.05 por cada cien kilómetros de línea por año.


44

Basado en la formulación del radio crítico de Brown-Whitehead, para condiciones severas

y considerando rayos verticales, se puede sugerir el uso de la siguiente figura respecto a la

selección del ángulo de blindaje:

Relación entre valores de diseño de fallas de blindaje que producen flameo de rayos a tierra y ángulo de blindaje promedio considerado en terreno plano.

En esta figura se presentan los ángulos de blindaje promedio a medio claro, por lo que los

ángulos de blindaje en las torres pueden ser mayores.

Con estas curvas se obtiene el ángulo de blindaje promedio para diferentes valores de

diseño y se considera terreno plano. En la figura, es la altura del cable de guarda es la altura

del conductor de fase. Los ángulos de blindaje , se obtienen con las alturas promedio de los

conductores en la torre, , para valores de corriente de 5 a 10 KA, los cuales representan los

límites para obtener fallas de blindaje que producirán flameos al rebasar el nivel básico de

aislamiento. Estos ángulos de blindaje son promedios tomados a medio claro, por lo que en las

torres pueden llegar a tener un valor mayor. También se considera un terreno plano para estos

ángulos.

Para torres en laderas, el ángulo promedio se obtiene como el valor del ángulo en la

gráfica menos el ángulo de inclinación de la ladera. Para el caso de estructuras en áreas arboladas

o con estructuras altas, se pueden usar ángulos mayores, ya que el radio de atracción de la tierra

se incrementa por las alturas de árboles y torres.


45

Torres construidas en topes de colinas son más vulnerables debido al aumento del número

de rayos, sin embargo, los flameos inversos llegan a ser más representativos debido a que la

resistencia al pie de la torre tiende a ser mayor en estas áreas.


46

Índices de Salidas de Líneas de

Transmisión por fallas de Blindaje

En este apartado se presentan las relaciones entre el número de salidas por kilómetro de

línea por año debidas a fallas por blindaje y el ángulo de blindaje. Estas relaciones se establecen

para cada nivel de tensión.

Normalmente se permite un cierto riesgo de falla del blindaje en su diseño, el cual influye

en la construcción o modificación de topes o copetes en las torres para la instalación del hilo de

guarda. El cálculo del índice de salidas de línea se realiza con el modelo electromagnético por

medio de una computadora.

Se tienen resultados válidos a nivel internacional, en donde se da el número de salidas por

año por 100 km de línea en función del ángulo de blindaje.


47

Las gráficas se dan para una densidad de rayos a tierra de 2 rayos/km2/año ( ), para

diferentes alturas promedio del cable de guarda y diferentes niveles de aislamiento al impulso por

rayo. La altura promedio del cable de guarda se calcula de la manera siguiente:

Para terreno plano:

Para terreno ondulado:

Para terreno montañoso:

Donde es la altura promedio, es la altura del cable de guarda y es la flecha

máxima del hilo de guarda.


48

Capítulo III

Sistemas de Tierra

Sistemas de Tierra en Líneas de Transmisión Capítulo III

49

Sistemas de Conexión a Tierra

Las funciones básicas de un sistema de conexión a tierra se pueden resumir en:

1. Proveer de una baja resistencia de dispersión de la corriente a tierra para:

a. Evitar daños por sobretensiones que se presenten por descargas atmosféricas o

maniobras.

b. La descarga a tierra de dispositivos de protección (contra sobretensiones

atmosféricas o internas)

c. Camino a tierra de corrientes de falla.

d. Conectar los sistemas que usen neutro común aterrizado (más comunes)

e. Asegurar que las partes metálicas de los sistemas o equipos se encuentren al

mismo potencial de tierra. Esto para la protección personal.


50

2. Disipar y resistir repetidamente las corrientes de falla y de las descargas atmosféricas.

Las características de los movimientos de los sistemas de conexión a tierra deben ser:

a) Tener una resistencia a la corrosión en suelos de variada composición química, de manera

que asegure un comportamiento continuo durante la operación del equipo a proteger.

b) Tener buenas propiedades de resistencia mecánica.

c) El diseño de la red de tierras debe ser económico.

Uno de los elementos principales de una instalación de red de tierras es el electrodo de

puesta a tierra. La resistencia del electrodo de puesta a tierra, llamado también varilla de tierra,

tiene tres componentes:

1. Una es su propia resistencia eléctrica, la cual puede ser despreciable para efectos de

cálculo, esto debido a que idealmente es cero, así el drenado de corriente será mediante

él como es deseado. Pero las conexiones entre electrodo y conductor de bajada pueden

llegar a tener una resistencia considerable con el tiempo.

2. La resistencia eléctrica de contacto entre electrodo y suelo, cuando el electrodo está libre

de grasa o pintura es despreciable. Sin embargo a resistencia de contacto puede aumentar

significativamente en terrenos secos, aumentando rápidamente cuando el contenido de

humedad disminuye por debajo de un 15%.

3. Resistividad del terreno alrededor del electrodo. Introduciendo un electrodo en un

terreno uniforme, la corriente se dispersará uniformemente alrededor del electrodo. La

resistividad del terreno varía ampliamente según su composición y zonas climáticas,

también varía estacionalmente debido a que la resistividad se determina en gran

proporción por el contenido de electrolito, consistente de agua, minerales y sales.

Adicionalmente también varía con la temperatura. Algunos valores típicos de

resistividades de suelos se resumen en la siguiente tabla:

Tipo de suelo Resistividad (Ω-m)

Suelo de superficie, greda, etc. 1 -50 Arcilla 2 – 100

Arena y grava 50 – 1,000 Piedra caliza de superficie 100 – 10, 000

Piedra caliza 5 – 4, 000 Esquisto o pizarra 5 – 100

Piedra arenisca 20 – 2, 000 Granito, basalto 1, 000

Valores típicos de resistividad en diferentes tipos de suelos.


51

Tipos de Puesta a Tierra

Puesta a Tierra para Protección

En este tipo de puesta a tierra, es necesario conectar eléctricamente al suelo todas

aquellas partes de las instalaciones eléctricas que en condiciones normales no se encuentren

sujetas a tensión pero que pueden tener diferencias de potencial a causa de una falla, como por

ejemplo: tanques de transformadores o interruptores, carcasas de máquinas en operación,

tableros eléctricos, soportes metálicos de aparatos y equipos, etc.

Puesta a Tierra para Funcionamiento

Con el fin de dar una mayor seguridad, un mejor funcionamiento y eventualmente una

mayor confiabilidad respecto a la operación, es necesario establecer una conexión a tierra en

determinados puntos del sistema, para ello, es necesario conectar a tierra ciertos puntos del

sistema como son los siguientes: neutros de generadores y transformadores con devanados

conectados en estrella, la conexión a tierra de los apartarrayos, la conexión a tierra de los hilos de

guarda de los transformadores de potencial, etc.


52

Definiciones

Para un mayor entendimiento del capítulo se establecerán las siguientes definiciones:

Tensión de Paso (Vp): Es la tensión que resulta entre los pies de una persona apoyada en

el suelo a la distancia de un metro.

Tensión de Contacto (Vc): Es la tensión a la cual se puede ver sometido el cuerpo humano

por contacto con una carcasa o estructura metálica de una máquina, aparato eléctrico o

estructura de montaje, que en condiciones normales no se encuentra con tensión.

Resistencia Eléctrica del Cuerpo Humano: La resistencia interna del cuerpo humano es de

aproximadamente de 200 Ω. La resistencia de contacto entre una mano y un conductor o

una parte metálica bajo tensión varía dentro de límites muy amplios, según sea la

extensión y naturaleza de la superficie de contacto, de la naturaleza de la piel de las

personas (lisa ó caIlosa), del grado de humedad de la piel, etc.

La resistencia de contacto entre el pie y el suelo puede variar considerablemente

según sean las condiciones del calzado y del suelo.

Tensiones de Seguridad: Se recomienda que en ningún punto de una instalación eléctrica se

presenten tensiones de paso o de contacto superiores a los siguientes valores:

- 60 V cuando no se prevé la eliminación rápida de una falla de línea a tierra.

- 120 V cuando la falla se elimine en un período de un segundo.


53

Métodos para conocer el valor de la

Resistencia Eléctrica de un Sistema de Tierra

Uno de los aspectos más importantes en el diseño de una red de tierra, es el valor de

resistencia eléctrica que presentará el terreno donde se localice nuestro sistema, es bien sabido

que la resistencia eléctrica es el factor más importante a considerar cuando se requiere manipular

la dirección de una corriente, en nuestro caso, la corriente de falla.

Como sabemos, una ruta que implique menor resistencia eléctrica tendrá preferencia en el

momento que la corriente se transmita de un punto a otro, por ello, podemos “maniobrar” su

dirección dentro de un sistema presentándole caminos donde su traslado de un punto a otro, sea

prácticamente directo, es decir, que no presente resistencia eléctrica de valores considerables, a

este proceso dentro de un sistema eléctrico lo denominamos drenado. Cuando se presenta una

falla, se intenta drenar la corriente originada, corriente de falla, a un punto donde no produzca

daños al sistema eléctrico de potencia donde tuvo lugar, a ese punto lo denominamos Tierra y

tiene la función de impedir la llegada de corrientes indeseadas o de falla a nuestros elementos de

circuito.


54

La resistividad del terreno se mide por medio de diferentes procedimientos, cada uno de

ellos presenta diferentes particularidades y tendrá como herramientas diferentes aparatos para

un mismo fin, que será conocer el valor de resistencia eléctrica que presente el terreno de prueba.

Es importante destacar que se recomienda elaborar dichas pruebas en temporadas de

sequia, es decir, las condiciones más críticas, esto nos permitirá conocer los valores extremos a los

que se encontrará trabajando el sistema, por ejemplo, si se presentara humedad en el terreno, el

valor de resistencia sería menor al que tendríamos en un día templado y sin presencia de lluvia,

debemos recordar que en el diseño es importante considerar los valores críticos de operación a los

que estará expuesto nuestro sistema, por ello, debemos obtener los datos de resistencia en días

donde el terreno presente su resistencia máxima tal como sucede en los días de sequía.

Tomando como base una resistencia máxima podremos asegurar que en los días donde las

condiciones climáticas mejoren la resistencia del terreno, es decir, en días húmedos, nuestro

sistema operará en óptimas condiciones.

Una vez determinada la posición de las estructuras y por consecuencia lógica las

cimentaciones de las mismas, se procede a ejecutar la medición de la resistividad del suelo.

En las siguientes páginas se presentará el procedimiento, aparatos y equipo necesarios con

los cuales podemos realizar una medición de resistencia en un terreno de acuerdo al Método

Wenner también conocido como el Método de los cuatro electrodos. El Método de los cuatro

electrodos se usa para conocer la resistividad del terreno antes de colocar las estructuras que

soportarán las líneas de transmisión, cuando el caso solicita conocer un valor de resistividad del

terreno con estructuras que soportan líneas en operación o sin ella se utilizan variaciones del

método también expuestas en las siguientes páginas.


55

Método Wenner o de los Cuatro Electrodos

Aparatos y Equipo:

Megger de tierra o Vibroground.

Electrodos: Normalmente son cuatro varillas Copperweld de 15.9 mm de diámetro y con

una longitud que puede variar desde los 7.5 m hasta los 10 m.

El diámetro de las varillas debe ser menor cuando el suelo sea suave o cuando se requiera

medir la resistividad superficial con una pequeña separación entre varillas.

Cables: Los cables deberán ser de cobre con un aislamiento para 600 V calibre 14 AWG o

mayor. La longitud estará en función de la separación máxima que exista entre los

electrodos.

4 Conectores mecánicos de grapa.

Cinta métrica.

Procedimiento:

1. Colocar las varillas clavándolas en el suelo a una profundidad de 2 a 3 m dispuestas en

línea recta con una separación uniforme entre ellas. Se debe procurar que las varillas

queden en un plano horizontal y no hacer huecos alrededor de las varillas, ya que esto

aumentaría el valor de la resistencia al no tener contacto electrodo-tierra y nos daría un

valor errado.

2. Las terminales de corriente del instrumento C1 y C2 se conectan a través de los cables a las

varillas de los extremos, las de potencial P1 Y P2 a las varillas intermedias como se indica en

la siguiente figura:


56

3. Energizar el instrumento tomando en cuenta las indicaciones del instructivo y tomar las

lecturas respectivas de resistencia en Ohms.

4. Calcular la resistencia mediante la fórmula:

Donde:

.

Normalmente se considera una profundidad igual a la separación entre los

electrodos. La fórmula anterior es válida sólo si la distancia entre los electrodos es mayor

que la profundidad a la que se entierran las varillas, aproximadamente .

En el caso que se debe usar la fórmula en su versión general, que es la

siguiente:

donde tiene un valor entre 1 y 2 dependiendo de la relación como se indica en la

siguiente tabla:

Cuando:

1.187 1.038 1.002

Si es muy pequeña comparada con , usaremos .


57

Procedimiento de campo:

1. En el área que se desea medir la resistividad, se trazan dos líneas de prueba como se

indica en la siguiente figura:

Pueden escogerse L1 y L2 o L3 y L4 o ambas si se requiere mayor información,

dependiendo del tamaño del terreno.

2. Medir la resistencia R en cada línea de prueba con el método de medición indicado en el

punto, comenzando en el centro de la línea y variando cada vez, la separación entre los

electrodos como se indica a continuación:

a1 2 m

a2 4 m a3 8 m a4 12 m a5 16 m a6 20 m a7 24 m a8 28 m a9 32 m an 0.5 L


58

3. Si se observa inestabilidad en el equipo se debe aumentar el número de mediciones de

terreno y el número de ellas se limitará aproximadamente a 0.5L. Por ejemplo, si L=100m

la máxima será de 50 m y sería necesario realizar cinco mediciones más aumentando

cada vez 4m.

4. Repetir el punto dos para la otra línea de prueba.

5. Calcular la resistividad de acuerdo a como se definió anteriormente.

6. Registrar datos y elaborar las gráficas correspondientes.

Errores comunes:

Durante el proceso para conocer el valor de la resistencia del terreno suelen cometerse

errores, por ello es recomendable poner atención en algunos factores, condiciones o

consideraciones como lo son las siguientes:

a) El uso apropiado de la fórmula cuando como se indicó con

anterioridad.

b) Cuando la distancia entre los electrodos es muy grande (valores pequeños de R en el límite

o por debajo de la escala menor del instrumento) se puede presentar inestabilidad en el

instrumento. En este caso, se deberá aumentar la distancia entre los electrodos de

potencial como lo indica la siguiente figura:


59

El emplear esta distancia entre los electrodos de potencial requiere el uso de la

siguiente fórmula para conocer el valor de la resistencia:

Los resultados concuerdan con dentro del 10% o menos,

generalmente 4% cuando la distancia de los electrodos de potencial no exceden el 80%

entre los electrodos de corriente si .

Con resistividades elevadas, aproximadamente de 300 Ω · m, y la separación

desigual de los electrodos se pueden llegar a presentar ciertas inestabilidades en el

instrumento.

c) Falta de calibración del instrumento de medición, antes de usar el instrumento, se debe

comprobar que el valor que registre sea correcto, esto se hace con dos o tres resistencias

diferentes y de valor conocido. Se pueden aceptar diferencias entre el valor de la

resistencia y el valor indicado por el instrumento del orden de diez. La conexión se hará

como se muestra a continuación:

Nota: Es recomendable la lectura del Anexo III y IV de esta Monografía, Requerimientos de

Calibración de Medidores de Resistencia de Tierra y Errores Frecuentes en la Medición de

Resistividad y Resistencia respectivamente.


60

Medición de la Resistividad del Suelo y Resistencia

Eléctrica en Líneas Aéreas en Construcción

Una vez determinada la posición de las estructuras y por consecuencia las cimentaciones

de las mismas, si se procede a ejecutar la medición de la resistividad del suelo se deberá seguir el

Método de los cuatro electrodos.

Para estructuras autosoportadas se deben hacer del centro a partir de la base de la torre

en diagonal respecto al sentido de la línea de acuerdo al primer arreglo representado en las

siguientes figuras, considerando la medición hacia fuera de las patas 1 y 3 o el segundo arreglo de

la misma figura, que involucra las patas 2 y 4

Arreglo 1: Patas a medir 1 y 3 Arreglo 2: Patas a medir 2 y 4


61

Como podemos observar, los puntos C1, C2, P1 y P2 muestran las conexiones que deben

realizarse en las terminales del instrumento de medición, podemos apreciar dos puntos de cada

una con excepción de C1, esto debido a que se realizan dos mediciones por arreglo, cada una en

dirección de una pata teniendo como punto común C1, por tanto este electrodo no variará de

posición durante el procedimiento. Las mediciones deben ser en función de las mejores

condiciones o facilidades que ofrezca el terreno para la localización de los electrodos verticales.

Para otro tipo de estructuras como lo son el poste de madera o el poste troncocónico, el

procedimiento debe se a partir del centro de la base siguiendo la misma metodología, es decir, en

forma diagonal respecto al sentido de la línea. En zonas urbanas las mediciones se harán a partir

del centro de la base en sentido de la instalación de la red de tierra.

En cualquiera de los arreglos se deberán realizar siete mediciones en cada dirección para

dar un total de 14. La primera lectura se debe de hacer con una separación entre electrodos de 1.6

m, aumentándose la misma en incrementos de 1.6 m hasta alcanzar un total de 11.2 m. Los

valores obtenidos se deberán registrar, en la mayoría de los casos, en formatos facilitados por

parte de la empresa y el o los valores representativos de la resistividad del suelo para el diseño de

la red de tierra son responsabilidad del diseñador.

Para la medición de la resistencia eléctrica de la red de tierra, se debe utilizar el método de

la Caída de Potencial y su valor máximo aceptable es de 10 Ω.


62

Método de Caída de Potencial

El método de la Caída de Potencial se basa en la inyección de una corriente de prueba en

el electrodo bajo análisis, es decir, la propia red de tierra. Se toman mediciones de la tensión a

diferentes distancias entre el electrodo bajo análisis y el electrodo auxiliar de potencial, llamados E

y P respectivamente para efectos de entendimiento. El valor representativo de la resistencia se

tendrá cuando la diferencia entre dos o tres mediciones sea despreciable.

El procedimiento para la realización de las mediciones con este método se debe realizar

con el hilo de guarda desconectado y con un medidor de resistencia de baja frecuencia,

aproximadamente 120 a 150 Hz y que la corriente de inyección sea mayor a 1 mA, siguiendo los

siguientes pasos:

1) Seleccionar la dirección en que se realizará la medición y ésta, de preferencia, que sea

perpendicular a la línea aérea como se muestra a continuación:

Direcciones preferentes para la medición de la resistencia de la Red de Tierra


63

2) Instalar el electrodo auxiliar de corriente C y su cable asociado en la dirección seleccionada a

una distancia de 75 m del electrodo E.

3) Colocar el electrodo auxiliar de potencial P y su cable asociado en dirección al electrodo de

corriente a una distancia de 39 m del electrodo E.

4) Realizar la primera medición de la resistencia del electrodo E conectando el medidor de

resistencia de acuerdo a las instrucciones del equipo de medición empleado.

5) La segunda medición se realiza instalando el electrodo P a 46.5 m del electrodo E y finalmente

la tercera se efectuará a 54 m de separación.

6) Estas tres mediciones corresponden al 52, 62 y 72% de la distancia entre los electrodos E y C

respectivamente y se deben registrar debidamente.

7) Se debe verificar que las diferencias entre los valores medidos al 52 y 72% no sean mayores al

5% respecto al del 62%.

a) Si las diferencias entre los valores medidos son menores al 5%, el valor real de la

resistencia de la Red de Tierras es igual al valor de la lectura en el instrumento de

medición.

b) Si alguna de las diferencias es mayor la distancia entre el electrodo E y C se debe duplicar

al igual que las distancias al electrodo P hasta que esta sea menor al 5%

8) El valor representativo de la resistencia eléctrica de la red de tierra se considerará el de la

lectura realizada cuando el electrodo de potencial se encuentre a una distancia del 62% de la

distancia entre los electrodos E y C.

9) Si el valor de la resistencia eléctrica de la red de tierra es mayor a 10 Ω debe corregirse.


64

La siguiente figura tiene como objetivo el ilustrar el Método de la Caída de Potencial:

Método de la Caída de Potencial


65

Medición de la Resistividad del Suelo y

Resistencia Eléctrica en Líneas Aéreas en Operación

Para medir la resistividad del suelo nuevamente utilizaremos el Método Wenner

presentado con anterioridad.

Tendremos que medir la resistencia del suelo colocando el instrumento en el centro de la

estructura y los electrodos verticales se deben de colocar paralelos al sentido de la línea de

transmisión con una separación de 1.6 m para la primera medición y 3.2 m para la segunda. La

siguiente figura ilustra el procedimiento:

Medición de la Resistividad del Suelo para Estructuras con Líneas en Operación


66

Cuando no sea práctico colocar los electrodos verticales y paralelos al sentido de la línea

de transmisión, la medición se puede realizar en sentido perpendicular. Cada valor obtenido en las

pruebas debe ser registrado, generalmente también se proporcionan los formatos a llenar por la

empresa que presta el servicio.

Para medir la resistencia eléctrica en la Red de Tierra debemos utilizar una sola medición

de resistencia por estructura. La distancia de instalación de los electrodos verticales de corriente y

de Potencial, C y P deberán ser de 75 m y de 46.5 m respectivamente (ver Anexo II).

La dirección de la medición se debe realizar de preferencia perpendicular a la línea en

cualquier sentido, de no poder realizarse en esa dirección, se puede realizar longitudinalmente a la

línea y, en el último de los casos en forma diagonal, siempre y cuando no existan contraantenas

instaladas. En el caso de estructuras de deflexión, la medición se debe hacer en la dirección de la

cruceta como lo muestra la siguiente figura:

Dirección de medición para Torres


67

La red de tierra será adecuada cuando su resistencia eléctrica sea menor o igual a 10 Ω, en

caso contrario, se deberán verificar los procedimientos de medición y/o mejorarse.


68

Reducción de Valores de Resistencia de

Conexión a Tierra en Torres de Transmisión

Debido a que el valor de resistencia de conexión a tierra se ve afectado por las

características del terreno, arreglos de las varillas de tierra y las conexiones entre ellas, los

métodos de mejoramiento de los valores de resistencias de conexión a tierra en torres de

transmisión hacen uso de los puntos mencionados con anterioridad. Para las características del

terreno se usan métodos para disminuir la resistividad del terreno por medio de sales o productos

químicos.

Con los arreglos de varillas a tierra se recomiendan tanto número como disposición de

éstas para disminuir la resistencia de conexión para ciertas resistividades de terreno. Y por último,

se recomiendan tipos de uniones para asegurar que las conexiones no pierdan sus características.


69

Métodos de mejoramiento

A continuación se enumeran algunos de los métodos usados para reducir o mejorar los

valores de conexiones a tierra:

1. Electrodos Profundos:

Cuando el terreno es penetrable se puede usar este método para mejorar el valor de

resistencia de tierra. A mayor profundidad se tienen mejores valores de resistividad de terreno,

especialmente en terrenos donde se tienen mantos freáticos no muy profundos. Debido a las

longitudes de electrodos y los métodos para enterrar las varillas, este método puede resultar

antieconómico y muy poco práctico.

2. Electrodos Múltiples en Paralelo:

Cuando se tienen valores de la resistividad del terreno de las capas superiores más baja

que la de las capas profundas o en casos donde no se pueden obtener las profundidades

adecuadas de las varillas de tierra, se recomienda el uso de dos o más electrodos en paralelo, ya

que como es sabido, un arreglo en paralelo reduce la resistencia total equivalente del sistema.

3. Contraantenas:

En terrenos donde no es posible la penetración de varillas teniéndose un manto delgado

de suelo sobre subsuelo de roca, se recomienda el uso de conductores enterrados a baja

profundidad a lo largo de zanjas construidas específicamente para contener el conductor llamadas

contraantenas. Este arreglo se debe realizar en forma horizontal y en una sola dirección.

4. Hormigón armado:

El hormigón armado puede considerarse como electrodo metálico inmerso en un medio

razonablemente homogéneo (el hormigón), cuya resistividad está en el orden de los 30 Ω-m. El

hormigón, a su vez está inmerso en el terreno, cuya resistividad puede variar desde uno hasta mil

ohms por metro. La relación de resistividades de hormigón y terreno determina la resistencia de

dispersión a tierra resultante.


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5. Reducción de la resistividad del suelo mediante procedimientos artificiales:

En algunos terrenos con alta resistividad, las prácticas de los métodos resumidos

anteriormente pueden resultar prácticamente imposibles de aplicar para obtener valores de

resistencia de conexión a tierra aceptables. En estos casos puede resultar aceptable el uso de

procedimientos para reducir artificialmente la resistividad del terreno que circunda al electrodo de

tierra. Los métodos más usados se resumen a continuación.

5.1. Agregado de sales simples:

Un método simple de tratamiento químico de suelos es mediante sales. Esta se dispersa

en una zanja alrededor del electrodo de tierra formando un círculo y tapada con tierra, sin llegar a

tener contacto directo con el electrodo, como se muestra en la siguiente figura:

El sulfato de magnesio, el sulfato de cobre y la sal común o cloruro de sodio, son sales que

pueden utilizarse para este propósito. Una de las desventajas de este método es la degradación

que existe durante las lluvias, que drenan la sal a través de la porosidad del suelo y la corrosión

que se genera en la varilla por la presencia de dichas sales. Por lo que este método no se

recomienda.


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5.2. Agregado de coque:

La resistividad del coque es de aproximadamente 1.3 Ω-m y además es independiente del

contenido de humedad debido pero al colocarse e el terreno se hace dependiente de la humedad

debido al resto del terreno. Una de las desventajas del uso del coque y de la sal es su efecto

corrosivo, el cual disminuya la vida útil del electrodo de tierra.

5.3. Aporte de sales “gel”:

Este método consiste en irrigar el terreno con dos o más sales combinadas con una

solución acuosa acompañada de catalizadores que reaccionan entre sí formando un precipitado en

forma de “gel” estable, con una elevada conductividad eléctrica. Esta mezcla es resistente a los

ácidos del terreno y es insoluble en agua, lo que le da al método un mayor tiempo de

permanencia.

5.4. Inyección de bentonita:

Este método consiste en el uso de bentonita en grietas naturales formadas alrededor del

electrodo de tierra o formando una capa alrededor de este. La bentonita es un mineral de

composición compleja, básicamente arcilla de notables características higroscópica, un buen

conductor de electricidad y que además protege al electrodo de la corrosión.


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Recomendaciones para diferentes

resistividades del terreno

Los métodos básicos de conexiones de tierra en líneas de transmisión son:

El uso de varillas de conexión de tierra de 19 mm de diámetro y 3 m de longitud,

enterradas verticalmente, interconectadas con longitudes cortas de conductores y unidas a

las patas de las estructuras.

El uso de contraantenas, las cuales consisten de uno o varios conductores enterrados

horizontalmente en zanjas de 30 cm de profundidad y unidos a las patas de la estructura.


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Desde el punto de vista práctico el método más usado para reducir el valor de resistencia a

tierra es el uso de contraantenas. Estas se recomiendan usar en casos en que la resistividad del

terreno sea mayor a 200 Ω-m. Estas se caracterizan por una impedancia inicial entre 150 y 200 Ω

(impedancia característica). Su comportamiento al impulso del rayo presenta esta impedancia

inicial que disminuye exponencialmente después de un tiempo aproximado a 1µs, como se

muestra a continuación:

Comportamiento al impulso de la impedancia de contraantenas

Después de este tiem

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